線切割機床中的脈衝電源設計-深圳自動車床加工

線切割機床中的脈衝電源設計-深圳自動車床加工
線切割加工技術(WEDM)在眾多的工業生產領域如模具製造業、汽車製造業
、航hang空kong航hang天tian製zhi造zao業ye等deng起qi到dao了le重zhong要yao的de作zuo用yong。要yao製zhi作zuo一yi台tai省sheng略lve其qi次ci要yao結jie構gou與yu技ji術shu環huan節jie的de低di速su走zou絲si電dian火huo花hua線xian切qie割ge機ji床chuang樣yang機ji
，其qi中zhong包bao括kuo兩liang項xiang關guan鍵jian技ji術shu：1
、數字無阻脈衝電源模塊
，此模塊能完成精加工和精加工;2、jianxidianyajiancemokuai
，nengbaozhengqiegejiagongguochenggaoxiaopingwenjinxing。guoneimuqianbujubeizizhuzhishichanquandechanpinzhuyaoyuanyinshimeiyouzhangwojianxisifukongzhixitongsheji、數shu字zi脈mai衝chong電dian源yuan係xi統tong設she計ji兩liang項xiang關guan鍵jian技ji術shu。研yan究jiu精jing密mi數shu控kong電dian火huo花hua線xian切qie割ge機ji床chuang的de數shu字zi脈mai衝chong電dian源yuan係xi統tong設she計ji這zhe個ge關guan鍵jian技ji術shu，是shi為wei開kai發fa具ju有you自zi主zhu知zhi識shi產chan權quan的de精jing密mi數shu控kong電dian火huo花hua線xian切qie割ge機ji床chuang提ti供gong必bi要yao的de技ji術shu支zhi持chi。通tong過guo對dui其qi的de研yan究jiu，再zai配pei合he機ji械xie上shang的de設she計ji以yi達da到dao所suo需xu的de技ji術shu指zhi標biao。

本文提出了運用DSP作zuo為wei核he心xin的de線xian切qie割ge脈mai衝chong電dian源yuan的de設she想xiang。筆bi者zhe設she計ji了le線xian切qie割ge加jia工gong機ji床chuang用yong的de脈mai衝chong電dian源yuan模mo塊kuai
，並bing對dui輸shu出chu波bo形xing進jin行xing了le分fen析xi，優you化hua了le在zai各ge種zhong加jia工gong條tiao件jian下xia的de效xiao率lv仿fang真zhen實shi驗yan，實shi驗yan結jie果guo驗yan證zheng了le本ben設she計ji的de脈mai衝chong電dian源yuan能neng夠gou滿man足zu微wei細xi線xian切qie割ge加jia工gong的de要yao求qiu。用yongTMS32OLF2812DSP控製器芯片強大的數據處理能力、豐富的片內外設和高速的實時控製能力，實現了交流采樣

、頻率測量和PID控製等功能。對同步發電機出口端的定子電壓、電流進行準確測量。通過最優控製的方法,得到精確的PWM控製信號輸出。實現一塊DSP多個控製的功能以及產生PWM脈衝波的脈衝電源。此樣機能達到中檔低速走絲電火花線切割機床的技術水準：具備ns級大峰值電流脈衝電源，最大加工效率大於200 mm2/min有效加工效率達120-150mm2/min，表麵粗粗度小於0.4μm (Ra≤0.4μm)
，加工精度為±0.005mm左右。

線切割脈衝電源的整體設計

線切割脈衝電源主要包括:整流變壓及濾波電路、與PC機的通訊模塊、脈衝產生單元
、功率驅動放大模塊
、放電間隙電壓狀態檢測電路模塊。該脈衝電源與一般線切割加工脈衝電源的差別主要有兩點:一(yi)是(shi)它(ta)比(bi)一(yi)般(ban)的(de)脈(mai)衝(chong)電(dian)源(yuan)多(duo)了(le)一(yi)個(ge)間(jian)隙(xi)放(fang)電(dian)電(dian)壓(ya)比(bi)較(jiao)模(mo)塊(kuai)。通(tong)過(guo)該(gai)模(mo)塊(kuai)實(shi)時(shi)地(di)將(jiang)電(dian)極(ji)絲(si)與(yu)工(gong)件(jian)兩(liang)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)與(yu)設(she)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，產(chan)生(sheng)一(yi)控(kong)製(zhi)脈(mai)衝(chong)發(fa)生(sheng)器(qi)是(shi)否(fou)發(fa)脈(mai)衝(chong)的(de)信(xin)號(hao)，能(neng)夠(gou)以(yi)最(zui)快(kuai)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)切(qie)斷(duan)脈(mai)衝(chong)，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)的(de)監(jian)控(kong)電(dian)極(ji)絲(si)與(yu)工(gong)件(jian)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)情(qing)況(kuang)，並(bing)實(shi)時(shi)矯(jiao)正(zheng)輸(shu)出(chu)脈(mai)衝(chong)電(dian)壓(ya)
，這(zhe)就(jiu)避(bi)免(mian)了(le)能(neng)量(liang)的(de)不(bu)均(jun)勻(yun)引(yin)起(qi)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)的(de)惡(e)化(hua)，從(cong)而(er)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)微(wei)細(xi)加(jia)工(gong)的(de)表(biao)麵(mian)質(zhi)量(liang)。二(er)是(shi)DSP2812最高頻率能達到150MHz，運用其高速脈衝的產生簡化常規設計電路，效率高，波形好，實時性也好。三是選用了DSP2812，其豐富的資源易於軟件與硬件的擴展。

光耦電路設計

本設計的光電藕合器件采用高速的6N135芯片，內封裝一個高度紅外發光管和光敏三極管。圖2左邊所示為6N135的引腳和內部結構示意圖。

6N135最主要的特點是高速度，+=0.5(RL=1.9k)所以在高速數字通訊接口的隔離上更能顯示和充分發揮其高速度的優良特性，數據的波特率可達500 k以上。相比之下
，常見的光電藕合器件4N25和TIL117隻能做到幾千的波特率。圖2右邊所示的是/6N136用於DSP輸出脈衝與主電路的連接電路原理圖。在許多主一從結構的工業測控係統中，為了防止上
、下位機的相互幹擾，采用光電隔離器件是一種簡單而有效的方法，采用6N135則可以不降低通訊波特率而實現子係統之間的隔離。

開關管的選擇

本設計開關管采用三菱高速IGBT模塊CT35SM-8。以前常用的2MBI200等大功率IGBT的封裝都比較大

，不宜用於機床上用的脈衝電源，其優點是體積小，耐壓耐流比較大。CT35SM-8的VCES可達到400V
，ICM可達到200A。本設計要求達到的0~200A的電流完全可以達到，頻率可以達5MHz，其內阻比較小。

放大電路的設計

使用常用放大器AD8072
，其設計的電路圖如圖3所示。

放電間隙電壓狀態檢測電路

zaiweixidianhuohuaxianqiegejiagongguochengzhong

，jianxidianyasuizhejiagongzhuangtaidebianhuaerbianhua
，tongguoshishicaijijianxidianya，biankezhigaishijianduanneidejiagongzhuangtai

，jinerkongzhigongzuotaidejingeifangxiang，shixianjiagongjingeidebihuankongzhi。zheyangbudannengyouxiaodikongzhijiagonghoudebiaomianzhiliang，tongshikeyijiangujiagongxiaolv。

對(dui)於(yu)線(xian)切(qie)割(ge)而(er)言(yan)，由(you)於(yu)各(ge)種(zhong)幹(gan)擾(rao)因(yin)素(su)的(de)存(cun)在(zai)，根(gen)據(ju)一(yi)次(ci)采(cai)樣(yang)值(zhi)判(pan)斷(duan)間(jian)隙(xi)的(de)狀(zhuang)態(tai)是(shi)不(bu)準(zhun)確(que)，在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)就(jiu)采(cai)用(yong)多(duo)次(ci)采(cai)樣(yang)求(qiu)平(ping)均(jun)值(zhi)的(de)方(fang)法(fa)，顯(xian)然(ran)這(zhe)樣(yang)就(jiu)增(zeng)加(jia)了(le)每(mei)次(ci)判(pan)斷(duan)加(jia)工(gong)狀(zhuang)態(tai)的(de)周(zhou)期(qi)，但(dan)與(yu)之(zhi)相(xiang)矛(mao)盾(dun)的(de)是(shi)較(jiao)短(duan)時(shi)間(jian)段(duan)內(nei)的(de)短(duan)路(lu)或(huo)電(dian)壓(ya)不(bu)穩(wen)定(ding)就(jiu)可(ke)以(yi)造(zao)成(cheng)加(jia)工(gong)後(hou)的(de)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)惡(e)化(hua)
，如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)反(fan)應(ying)時(shi)間(jian)過(guo)長(chang)，程(cheng)度(du)則(ze)更(geng)為(wei)嚴(yan)重(zhong)。因(yin)此(ci)相(xiang)對(dui)於(yu)一(yi)般(ban)的(de)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)，用(yong)於(yu)微(wei)細(xi)加(jia)工(gong)的(de)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)應(ying)該(gai)具(ju)有(you)更(geng)快(kuai)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)。

工件與電極絲兩極之間的電壓經濾波分壓後引入TMS320F2812的A/D口後
，將連續變化的模擬信號轉換為離散的數字信號
，DSP定時將轉換後的數字信息讀入並進行相應的處理
，當讀入數據個數達到規定數目後進行平均運算，運算完成後DSP將平均後的電壓值通過異步串行通訊電路傳入上位機。

我們首先可以通過仿真與實驗結果分別對高低電壓兩種情況對PWM占空比的要求存入TMS320F2812的寄存器中。我們可以通過A/D轉換來檢測主電路是高電壓切割還是低電壓切割。然後通過PC機傳送命令給TMS320F2812產生與所需波形相應的PWM的占空比，這樣我們可以更好的去控製主電路電極絲上的電壓切割波形。本設計的DSP2812在電源實際工作過程中
，DSP絕大部分時間用於間隙電壓信息的采集、運算及傳送

，僅有少量時間用於脈衝電源控製參數的中轉，可以有效地提高DSP的工作效率。

線切割脈衝電源的仿真

本設計采用了pspice9.2軟件做主電路波形仿真。在仿真中限流電阻分別設置成1、2 
、5 Ω等通過設置不同的電阻與不同的PWM占空比來尋找合適的波形，如圖4所示，操作人員可以設置開關的通斷來設置主電路的電阻大小。

結論：在高電壓大電流切割下，設置脈衝為2/3。這樣可以保證輸出的波形滿足線切割的對電壓電流波形的要求。設置主電路直流電壓為低電壓切割—80v。根據不同占空比
，得到圖7波形。

結論：在低電壓較大電流切割下，設置PWM占空比大點
，波形就越滿足條件。在低電壓較小電流切割下
，設置PWM占空比小點
，波形就越滿足條件。但小電壓切割時占空比設為2/3波形大部分時間用於腐蝕,特別是限流電阻較大時,這樣的輸出波形會使工件表麵燙傷.綜合上麵兩種情況
，我們在主電路電壓為80V時，我們設置PWM占空比為1/2，這樣可以保證輸出的波形滿足線切割的對電壓電流波形的要求。

結語

這種電源在設計時提出了高電壓切割與低電壓兩種情況的切割(80V與300V或其他)。由於高電壓與低電壓切割時對DSP產生的PWMdezhankongbiyouteshudeyaoqiu，genjujiancezhudianludianyadianliuboxing，zairuanjianshejizhongwomenjiaruzidongbianhuazhankongbidechengxu。zheyangshideqiegenengdadaoyuqidexiaoguo。